附錄A管材彎曲工藝研究新進(jìn)展摘要管材成形由于容易滿足塑性成形產(chǎn)品輕量化、強(qiáng)韌化和低耗高效、精確制造等方面的要求,在航空航天、汽車工業(yè)等許多行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。管材彎曲成形工藝的研究是其中備受關(guān)注并得到迅速發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。介紹了幾種新的彎管工藝,闡述了國(guó)內(nèi)外彎管工藝的最新研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞管材；彎曲；彎管工藝管材塑性加工是以管材作毛坯,通過塑性加工手段,制造管材零件的加工技術(shù)1。管材塑性加工由于容易滿足塑性成形產(chǎn)品輕量化、強(qiáng)韌化和低耗高效、精確制造等方面的要求,已成為先進(jìn)塑性加工技術(shù)面向21世紀(jì)研究與發(fā)展的一個(gè)重要方向2。在航空航天、汽車、石油化工、輕工及交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門中,廣泛地采用管材制造零件。例如在汽車工業(yè)中,采用中空鋁型材作車身結(jié)構(gòu)和保險(xiǎn)杠,在保持與鋼鐵制件具有同等的抗沖擊強(qiáng)度條件下,能減輕30%40%車體質(zhì)量,對(duì)汽車的輕量化具有十分重要的意義；當(dāng)汽車發(fā)生碰撞等意外事故時(shí),管材結(jié)構(gòu)還可以吸收因碰撞帶來的沖擊能,保護(hù)乘客的安全3。管塑性彎曲成形是管塑性成形技術(shù)的重要組成部分。用管材制造的彎曲零件,無論是平面彎曲件,還是空間彎曲件,除大量應(yīng)用于氣體、液體的輸送管路外,在金屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也十分廣泛。因此管材彎曲成形工藝是備受關(guān)注并得到迅速發(fā)展的重要領(lǐng)域,開展這方面的研究工作,具有十分重要的意義。文中介紹了管材彎曲的幾種新工藝,以及國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。1基于成形方式的管材彎曲工藝分類實(shí)踐中有許多不同的彎管工藝,從不同的角度出發(fā)可以有多種不同的分類。工程中通常按彎曲時(shí)加熱與否可分為冷彎和熱彎,根據(jù)彎曲時(shí)有無填充物可分為有芯彎管和無芯彎管。文獻(xiàn)4根據(jù)不同的成形方式。無模彎曲成形是指管材彎曲變形區(qū)不直接受到模具的作用,最終的形狀由工具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)決定,屬于高度靈活的柔性加工手段。有模彎曲成形是指通過剛性模具直接作用于彎曲變形區(qū)而進(jìn)行的管材彎曲,要求此剛性模具作用部分尺寸可以補(bǔ)償制件卸載后發(fā)生的彎曲回彈,屬于可重復(fù)性高而且快速的加工手段。2管材彎曲的幾種新工藝2.1熱應(yīng)力彎曲熱應(yīng)力彎曲是一種利用工件內(nèi)部溫度分布不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力來驅(qū)動(dòng)工件變形的成形方法。這種方法不需外力作用,因而也不需要專門加工模具,便于現(xiàn)場(chǎng)操作,是一種柔性加工手段,近年來對(duì)這種成形方法的研究逐漸增多。加熱熱源可采用火焰或激光,加熱方式包括局部加熱及加熱爐內(nèi)整體加熱；冷卻方式包括空冷、噴水冷卻及浸水冷卻。具體工藝取決于實(shí)際工況和工件特征。激光成形是對(duì)局部材料采用激光加熱,通過不對(duì)稱的加熱和冷卻,一個(gè)楔形區(qū)域上產(chǎn)生了壓縮變形。通過在軸方向不同區(qū)域的反復(fù)激光照射加熱,可以最終確定管材的形狀。因?yàn)闅堄鄳?yīng)力對(duì)制件質(zhì)量有影響,所以在工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮工件的殘余應(yīng)力分布。這種方法由于可以方便地控制激光功率大小和作用軌跡,因此易于成形空間彎曲件。它不僅可以適用于簡(jiǎn)單的矩形截面管材,而且可以彎曲復(fù)雜截面的管材。但是在彎制多型腔型材時(shí)有一些限制,且加工時(shí)間長(zhǎng),生產(chǎn)效率低文獻(xiàn)5提出的管的熱應(yīng)力彎曲方案是:先將管件在加熱爐中均勻加熱到某一溫度,然后以一定速度水平浸入水中,直至管件完全冷卻。管件最終凹向后入水一側(cè),其彎曲規(guī)律如下:內(nèi)外弧的彎曲程度無明顯差別；管件截面扁化,其中沿彎曲半徑方向的截面尺寸大于垂直彎曲平面方向的截面尺寸,即同壓彎法彎管所造成的截面變化趨勢(shì)相反；管件彎曲程度及截面變化程度隨加熱溫度的提高而增大；長(zhǎng)度直徑比值較大的管件,其彎曲效果較好。2.2基于工具運(yùn)動(dòng)控制的無模彎曲如圖1所示可以通過控制管端夾具軌跡來實(shí)現(xiàn)無模彎曲。管端夾具的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的彎曲力矩使得管材在局部區(qū)域產(chǎn)生彎曲塑性變形并發(fā)生圖1基于管端夾具運(yùn)動(dòng)控制的無模彎曲轉(zhuǎn)移。因此可以實(shí)現(xiàn)軸向多曲率半徑工件的無模彎曲。通過對(duì)軌跡的微分方程進(jìn)行數(shù)值求解,可以得到用于彎曲成形設(shè)備上的不同的控制程序。文獻(xiàn)6使用這種方法成形得到型的零件。另一種通過控制工具運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無模彎曲的方法。管材通過一個(gè)導(dǎo)向圓柱軸向送料,在離出口一定距離處有一個(gè)移動(dòng)模,其用球軸承作為支撐點(diǎn),并且可以在垂直于軸向的平面內(nèi)移動(dòng)。根據(jù)移動(dòng)模的位置和偏轉(zhuǎn)方向的不同,管材會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲。通過軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),可以使管材在包括端部的整個(gè)長(zhǎng)度上進(jìn)行彎曲。這種彎曲設(shè)備的基本原理是彎曲原理,它可以用來方便地實(shí)現(xiàn)管材的空間彎曲,但卻必須為各種截面的管材定制不同的模具。圖2展示了利用這種成形工藝得到的彎曲管材。2.3疊加法彎曲疊加法的原理3所示當(dāng)金屬材料在塑性區(qū)域內(nèi)變形時(shí),可以利用一個(gè)相對(duì)于成形力來說很小的側(cè)向作用,實(shí)現(xiàn)彎曲。在具體實(shí)現(xiàn)過疊加法原理程中,這個(gè)很小的作用力可以通過一個(gè)偏轉(zhuǎn)輪施加,其產(chǎn)生了一個(gè)很小的力矩,影響金屬的流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了可控制曲率的彎曲加工。由于零件本身是按彎曲要求生產(chǎn)的,因此可以避免產(chǎn)生諸的截面變形、破裂或起皺問題。疊加法最直接的應(yīng)用就是管材的擠壓生產(chǎn)。實(shí)際直型材在擠壓過程中由于在擠壓模中存在不理想的摩擦條件,因而產(chǎn)生了非常小的摩擦力,引起輕微彎曲現(xiàn)象；反過來說,如果在擠壓過程中有效控制這個(gè)力,利用其使擠壓金屬的流動(dòng)速度產(chǎn)生速度梯度,從而實(shí)現(xiàn)制件彎曲。另外通過改變摩擦力作用長(zhǎng)度也同樣可以產(chǎn)生類似的效果。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以比較靈活地控制偏轉(zhuǎn)輪而不必改變擠壓模具的設(shè)計(jì),甚至復(fù)雜的多型腔橫截面的型材也可以通過這個(gè)方法彎曲。目前開展的大多是平面內(nèi)常曲率彎曲的研究8,對(duì)于空間變曲率彎曲從理論的角度上來說是可行的,但是由于需要對(duì)偏轉(zhuǎn)輪的實(shí)時(shí)控制,因此設(shè)備方面還需要進(jìn)行重大改進(jìn)。另一個(gè)類似的彎曲工藝把疊加法原理運(yùn)用到擴(kuò)管設(shè)備中。2.4數(shù)控機(jī)床繞彎繞彎是指將管材夾緊在彎曲模上,隨彎曲模一起轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)管材被拉過壓塊時(shí),壓塊即將管